Các nhà nghiên cứu tại Đại học South Florida, do Giáo sư David Simmons dẫn đầu, đã giải được câu hỏi tồn tại lâu nay về vì sao cao su gia cố lại cứng và bền hơn. Công trình được công bố trên Proceedings of the National Academy of Sciences và có sự tham gia của học giả sau tiến sĩ Pierre Kawak cùng nghiên cứu sinh Harshad Bhapkar. Nhóm đã chạy khoảng 1,500 mô phỏng động học phân tử, sử dụng cụm máy tính của USF và tổng cộng khoảng 15 years tính toán.
Nghiên cứu tinh chỉnh mô hình về than đen và cách nó phân tán trong cao su, mô phỏng tương tác hàng trăm nghìn nguyên tử. Cơ chế then chốt là sự không khớp hệ số Poisson: khi các hạt có mặt, chúng giữ vật liệu khỏi mỏng đi khi kéo, buộc cao su tăng thể tích. Vì cao su chống lại thay đổi thể tích, vật liệu cuối cùng trở nên cứng hơn và mạnh hơn.
Những ý tưởng trước đây — như mạng lưới hạt, tương tác dính gần hạt và hiệu ứng lấp đầy không gian — không bị bác bỏ; thay vào đó chúng góp phần cho hành vi chống thay đổi thể tích và được hòa nhập vào lời giải thống nhất. Phát hiện này có thể thay đổi cách thiết kế lốp trong ngành công nghiệp trị giá $260 billion và giúp cân bằng "Magic Triangle" về tiết kiệm nhiên liệu, độ bám và độ bền. Cao su gia cố còn dùng trong nhà máy điện, ngành hàng không vũ trụ và cơ sở hạ tầng quan trọng. Nghiên cứu được tài trợ bởi Văn phòng Khoa học của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ.
Từ khó
- gia cố — làm cho vật liệu bền và chắc hơn
- mô phỏng — dùng máy tính để tái tạo hệ vật lý
- động học phân tử — mô tả chuyển động của các phân tử
- hệ số Poisson — thông số mô tả biến dạng vật liệu khi kéo
- than đen — loại phụ gia cacbon làm gia cường cao su
- tinh chỉnh — điều chỉnh mô hình cho chính xác hơn
Mẹo: di chuột, dùng phím Tab hoặc chạm vào các từ được tô sáng trong bài để xem định nghĩa nhanh ngay khi bạn đọc hoặc nghe.
Câu hỏi thảo luận
- Phát hiện về 'không khớp hệ số Poisson' có thể thay đổi cách thiết kế lốp như thế nào? Hãy nêu hai lý do.
- Tại sao nhóm nghiên cứu cần chạy nhiều mô phỏng và sử dụng nhiều năm tính toán cho nghiên cứu này?
- Ngoài ngành lốp, những lĩnh vực nào trong bài có thể hưởng lợi từ cao su gia cố? Hãy nêu ví dụ và giải thích ngắn.
